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Gebiet der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fluidsteuerventil und genauer ein Fluidsteuerventil, mit dem ein Ventilelement angetrieben wird, um dieses in Bezug auf ein Gehäuse in der Axialrichtung zu bewegen und um einen lichten Abstand bzw. Freiraum zwischen dem Ausgang des Gehäuses und der Spitze des Ventilelements zu variieren, um dadurch die Ausgangsströmungsrate oder den Ausgangsdruck eines Fluids zu steuern.
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Technischer Hintergrund
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Um den Fluidstrom zu steuern, wird ein Steuerventil verwendet, mit dem ein Ventilelement angetrieben wird, um dieses in Bezug auf ein Gehäuse in der Axialrichtung zu bewegen und um einen lichten Abstand bzw. Freiraum zwischen dem Gehäuse und der Spitze des Ventilelements zu variieren, um dadurch die Ausgangsströmungsrate oder den Ausgangsdruck des Fluids zu steuern. Beispielsweise wird dadurch, dass der Ausgang des Gehäuses mit der Spitze des Ventilelements in Kontakt gebracht wird, der Fluidstrom unterbrochen und dadurch, dass der Ausgang des Gehäuses und die Spitze des Ventilelements voneinander getrennt werden, wird das Fluids strömen gelassen. Durch Wiederholen des Kontakts und der Trennung wird eine exakte Anpassung der Fluidströmungsrate oder des Fluiddrucks erreicht.
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Beispielsweise wird in
JP 2005-273704 A in Bezug auf einen Ventilmechanismus, der verwendet wird, um wasserhaltiges Abgas aus einer Brennstoffzelle nach außen zu treiben (auszulassen), eine Ventileinrichtung beschrieben, die ein Ventilelement enthält, das an der Spitze eines Rumpf vorgesehen ist, der in ein Kernelement eingeführt ist und somit von diesem gelagert wird und der von einem Magnetventil angetrieben wird, so dass er in der Lage ist, sich in der Axialrichtung vorwärts und rückwärts zu bewegen, wobei die Ventileinrichtung dadurch, dass das Ventilelement auf einem Ventilsitz sitzt, einen Strömungsweg versperrt, und wobei durch Trennen des Ventilelements vom Ventilsitz das Fluid in den Strömungsweg strömen kann.
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In dem Fluidsteuerelement, das den Strömungsweg versperrt oder das Fluid in den Strömungsweg strömen lässt, indem es die Spitze des Ventilelements mit dem Fluidausgang des Gehäuses in Kontakt bringt bzw. von diesem trennt, wird ein Rumpfabschnitt des Ventilelements so vom Gehäuse gelagert, dass er sich vorwärts und rückwärts bewegen kann, wie in
JP-A-2005-273704 beschrieben. Daher wird ein Lagerabschnitt durch die Gleitbewegung abgenutzt, wenn die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung wiederholt wird. Bei fortschreitender Abnutzung wird die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung des Ventilelements in der Axialrichtung möglicherweise abgelenkt, was in einer vollständigen Blockierung des Strömungswegs resultieren kann. Ebenso strömt möglicherweise Abriebpulver, das durch Abrieb erzeugt wird, mit dem Fluid mit und verschmutzt die stromabwärtige Seite.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung eines Fluidsteuerventils, das in der Lage ist, den Abrieb eines Teils zwischen einem Ventilelement und einem Gehäuse zu verringern, wenn die Spitze des Ventilelements in Bezug auf einen Fluidausgang des Gehäuses bewegt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Fluidsteuerventil gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf: ein Ventilelement, das eine Spitze aufweist, für die Steuerung eines Fluidstroms; ein Gehäuse mit einem Fluideingang, einem Führungsteil, mit dem das Ventilelement so geführt wird, dass es sich in der Axialrichtung bewegen kann, und einem Fluidausgang, der so angeordnet ist, dass er der Spitze des Ventilelements gegenüber liegt; einen Fluidströmungsweg, der im Gehäuse vorgesehen ist, um das Fluid aus dem Fluideingang zu lenken, das Fluid in einen Raum bzw. Zwischenraum bzw. Freiraum zwischen einer Innenwandfläche des Führungsteils und einer Außenumfangsfläche des Ventilelements zu liefern und, um zu bewirken, dass das Ventilelement sich in Bezug auf die Innenwandfläche des Führungsteils hebt; und ein Stellelement, mit dem das Ventilelement angetrieben wird, damit es sich in Bezug auf das Gehäuse bewegt, und mit dem der Abstand zwischen dem Ausgang des Gehäuses und der Spitze des Ventilelements variiert wird, um dadurch eine Ausgangsströmungsrate oder einen Ausgangsdruck des Fluids zu steuern.
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Im Fluidsteuerventil gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft der Fluidströmungsweg vorzugsweise vom Fluideingang durch ein Gehäuseinneres und bewirkt, dass das Fluid von Ausgangsöffnungen, die in gleichmäßigen Abständen in Bezug auf die Umfangsrichtung des Gehäuses angeordnet sind, in Richtung auf die Außenumfangsfläche des Ventilelements ausgetrieben wird.
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Im Fluidsteuerventil gemäß der vorliegenden Erfindung weist der Fluidströmungsweg vorzugsweise mindestens eine Fluid-Zwischenspeicherkammer und eine Vielzahl von abzweigenden Strömungswegen auf, die die Fluid-Zwischenspeicherkammer mit der Vielzahl von Ausgangsöffnungen verbinden.
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Im Fluidsteuerventil gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Stellelement vorzugsweise eine Antriebsspule, die im Gehäuseinneren vorgesehen ist, und einen beweglichen Elementabschnitt auf, der mit dem Ventilelement verbunden ist, und der Fluidströmungsweg weist außerdem einen Stellelementabschnitt-Fluidströmungsweg auf, mit dem das Fluid in einen lichten Abstand bzw. Freiraum bzw. einen Raum zwischen einem Außenumfang des beweglichen Elementabschnitts und einer Innenumfangsfläche des Abschnitts der Antriebsspule geliefert wird, um dadurch zu bewirken, dass der bewegliche Elementabschnitt sich in Bezug auf die Innenumfangsfläche der Antriebsspule hebt.
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Im Fluidsteuerventil gemäß der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise ein Dichtungsabschnitt enthalten, der am Ausgang des Gehäuses vorgesehen ist und der eine Öffnung aufweist, die so geformt ist, dass sie der Form der Spitze des Ventilelements entspricht, und der aus einem anderen Material gebildet ist als das Gehäuse.
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Im Fluidsteuerventil gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Dichtungsabschnitt vorzugsweise aus einem Material mit einer höheren Elastizität als Metall gebildet.
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In diesem Aufbau ist in dem Fluidsteuerventil ein Fluidströmungsweg ausgebildet, der im Gehäuse vorgesehen ist, mit dem das Ventilelement in der Axialrichtung gelenkt wird, um das Fluid vom Fluideingang weg zu lenken, das Fluid in den Raum zwischen der Innenwandfläche des Führungsteils und der Außenumfangsfläche des Ventilelements zu liefern und um zu bewirken, dass das Ventilelement sich in Bezug auf die Innenwandfläche des Führungsteils hebt. Wenn das Fluid in den Raum zwischen den einander gegenüber liegenden Oberflächen gelenkt wird, definiert der Abschnitt zwischen den einander gegenüber liegenden Oberflächen dadurch, dass er vom Fluid getragen wird, einen Hubabstand und wird durch einen sogenannten Fluidlagermechanismus sozusagen kontaktfrei gehalten. Dies ermöglicht eine Bewegung des Ventilelements in der Axialrichtung ohne einen Kontakt mit dem Führungsteil, so dass der Abrieb zwischen dem Ventilelement und dem Gehäuse beschränkt wird, Da das Fluid, das im Fluidlagermechanismus verwendet wird, ein Fluid ist, das ein Gegenstand der Strömungsratensteuerung oder der Drucksteuerung ist, ist kein spezielles Fluid für das Fluidlager notwendig.
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Da der Fluidströmungsweg bewirkt, dass das Fluid vom Fluideingang durch das Gehäuseinnere strömt und aus den Ausgangsöffnungen, die in gleichmäßigen Abständen in Bezug auf die Umfangsrichtung des Gehäuses angeordnet sind, in Richtung auf die Außenumfangsfläche des Ventilelements ausgetrieben wird, wird das Fluid gleichmäßig in Bezug auf die Außenumfangsfläche des Ventilelements zugeführt, und das Ventilelement wird automatisch in der Axialrichtung zentriert.
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Da der Fluidströmungsweg mindestens eine Fluid-Zwischenspeicherkammer aufweist, ist eine Schwankung des Fluiddrucks oder dergleichen verringert, und es wird eine stabile Fluidzufuhr erreicht.
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Da das Fluid in den Raum zwischen dem Außenumfang des beweglichen Elementabschnitts und der Innenumfangsfläche der Antriebsspule geliefert wird, wodurch bewirkt wird, dass sich der bewegliche Elementabschnitt in Bezug auf die Innenumfangsfläche der Antriebsspule hebt, kann auch ein Abrieb, der von der axialen Bewegung am Stellgliedabschnitt bewirkt wird, wenn das Stellglied im Gehäuseinneren vorgesehen ist, beschränkt werden.
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Da der Dichtungsabschnitt, der aus einem anderen Material gebildet ist als das Gehäuse, am Ausgang des Gehäuses vorgesehen ist, ist ein Abrieb des Gehäuseausgangs, der mit der Spitze des Ventilelements in Kontakt kommt, dadurch beschränkt, dass beispielsweise ein Material verwendet wird, dass weniger anfällig für Abrieb ist.
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Da der Dichtungsabschnitt aus einem Material gebildet ist, das eine höhere Elastizität aufweist als Metall, wird ein guter Kontakt mit dem Ventilelement erreicht, so dass eine zuverlässige Sperrung für das Fluid erhalten wird.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Fluidsteuerventils gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A von 1.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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Mit Bezug auf die Zeichnung wird nun eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben. Zwar wird nachstehend ein Fluidsteuerventil beschrieben, das für ein Brennstoffzellensystem verwendet werden kann, aber das Fluidsteuerventil der vorliegenden Erfindung kann auch für andere Zwecke verwendet werden, solange es dafür verwendet wird, den Fluidstrom dadurch zu steuern, dass es eine Spitze eines Ventilelements in Bezug auf einen Fluidausgang eines Gehäuses bewegt. Es kann beispielsweise als Fluidsteuerventil verwendet werden, das für eine Abgasleitung im Brennstoffzellensystem verwendet wird, oder als Strömungsraten-Steuerventil für Kühlwasser in einem Ladeluftkühler. Ein Fluidsteuerventil, das in anderen Systemen als einer Brennstoffzelle verwendet wird, kommt ebenfalls in Frage. Beispielsweise kann es als Brennstoff-Einspritzventil für Verbrennungsmotoren oder als Fluidsteuerventil für Scheibenwischer von Fahrzeugen verwendet werden. Somit kann es sich bei dem Fluid um Gas, Flüssigkeit oder um eine Dampf/Flüssigkeit-Mischung handeln.
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1 ist eine Querschnittsdarstellung eines Fluidsteuerventils 10, und 2 ist eine Querschnittsdarstellung entlang der Linie A-A in 1. Das Fluidsteuerventil 10 ist ein elektromagnetisches Ventil, das verwendet wird, um den Druck von Wasserstoffgas anzupassen, das als Brenngas in einem Brennstoffzellensystem dient. In der folgenden Beschreibung wird es als Drucksteuerventil beschrieben. Es kann jedoch auch ein Strömungsraten-Steuerventil sein, je nach Verwendungszweck. Das Fluidsteuerventil 10 weist auf: ein Gehäuse 12, ein Ventilelement 20, das von einem Führungsteil 14 im Inneren des Gehäuses 12 gelenkt wird, ein Stellelement 30, mit dem das Ventilelement 20 angetrieben wird, um es in der axialen Richtung zu bewegen, die in 1 als Richtung X angegeben ist, und einen Fluidströmungsweg 42, der im Inneren des Gehäuses 12 integriert ausgebildet ist.
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Das Gehäuse 12 weist einen säulenartigen Umriss auf und ist, wie in 1 dargestellt, auf einer Oberseite mit einem Fluideingang 51 und auf einer Unterseite mit einem Fluidausgang 52 versehen. Das Gehäuse 12, bei dem es sich um ein Element handelt, welches das Führungsteil 14 und den Fluidströmungsweg 42 enthält und das eine ziemlich komplizierte Form aufweist, wie nachstehend beschrieben, kann eines sein, das beispielsweise durch Gießen von Metall in eine vorgegebene Form erhalten wird. Als metallischer Werkstoff kann beispielsweise Aluminium oder dergleichen verwendet werden.
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Das Führungsteil 14 ist ein Raum, der im mittleren Abschnitt des Gehäuses 12 in axialer Richtung vorgesehen ist und der einen länglichen zylindrischen Raumabschnitt mit einem kreisförmigen Querschnitt und einen Verbindungsabschnitt aufweist, dessen Innendurchmesser vom länglichen zylindrischen Abschnitt in Richtung auf den Fluidausgang 52 allmählich abnimmt, und der mit dem Fluidausgang 52 verbunden ist, und hat die Funktion, das Ventilelement 20 so zu lenken und aufzunehmen, dass es sich in der axialen Richtung bewegen kann. Hierbei hat eine Innenwandfläche 16 des länglichen Zylinders (siehe 2) die Funktion, eine Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements 20 zu lenken.
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Der Fluidströmungsweg 42 ist eine Leitung, die in das Innere des Gehäuses 12 integriert ist. Der Fluidströmungsweg 42 beginnt am Fluideingang 40, der sich am mittleren Abschnitt an der Oberseite des Gehäuses 12 öffnet, verläuft in der radialen Richtung zur Außenumfangsseite des Gehäuses 12, mündet dann in eine Fluid-Zwischenspeicherkammer 44, die sich an der Außenumfangsseite des Gehäuses 12 in der axialen Richtung erstreckt, geht in Form einer Vielzahl von abzweigenden Strömungswegen 46, 48 von der Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 aus und öffnet sich an jeweiligen Stellen der Innenwandfläche 16 des Führungsteils 14.
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Die Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 ist ein Raum mit einem im Vergleich zu den abzweigenden Strömungswegen 46, 48 oder dergleichen angemessen großen Raumvolumen und hat die Funktion, vorübergehende Schwankungen oder dergleichen des Fluiddrucks oder dergleichen dadurch zu beschränken, dass sie das Fluid vorübergehend in einem großen Raum speichert. Bei der Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 kann es sich um einen einzelnen Raum handeln oder um eine Vielzahl von Räumen. Wenn die Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 als einziger Raum ausgebildet ist, wird vorzugweise ein Raum mit einem ringförmigen Querschnitt gebildet, der sich im Inneren des Gehäuses 12 in der axialen Richtung erstreckt. Wenn eine Vielzahl von Fluid-Zwischenspeicherkammern 44 vorgesehen ist, können diese beispielsweise als eine Vielzahl von Fluid-Zwischenspeicherkammern 44 vorgesehen sein, die sich in der axialen Richtung erstrecken und die in der Umfangsrichtung des Gehäuses 12 zueinander versetzt angeordnet sind und die sich in axialer Richtung von diesem aus in Richtung auf das Führungsteil 14 erstrecken, während eine Vielzahl von abzweigenden Strömungswegen 46, 48, sich an verschiedenen Stellen befinden.
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Bei den abzweigenden Strömungswegen 46, 48 handelt es sich um eine Vielzahl der Strömungswege, die von der Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 abzweigen und die in Richtung auf die Innenwandfläche 16 des Führungsteils 14 verlaufen und sich an der Innenwandfläche 16 öffnen. Die abzweigenden Strömungswege 46, 48 zweigen als Vielzahl von Wegen von der Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 in Bezug auf die axiale Richtung ab, wie in 1 dargestellt. Somit kann das Fluid aus den Öffnungen, die an einer Vielzahl von Stellen in Bezug auf die axiale Richtung vorgesehen sind, zur Außenumfangsfläche des Ventilelements 20 ausgetrieben werden, und das Fluid kann in Bezug auf die axiale Richtung der Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements 20 gleichmäßig zugeführt werden. In 1 sind die abzweigenden Strömungswege 46 mit Öffnungen dargestellt, die der Außenumfangsfläche eines Abschnitts des Ventilelements 20, der den größten Außendurchmesser aufweist, gegenüber liegen, und die abzweigenden Strömungswege 48 sind mit Öffnungen dargestellt, die der Außenumfangsfläche eines schmalen Rumpfabschnitts des Ventilelements 20 am hinteren Endabschnitt gegenüber liegen. Abgesehen von diesen Öffnungen können Öffnungen an geeigneten Stellen in Bezug auf die axiale Richtung ausgebildet sein. Wie in 2 dargestellt, sind außerdem die abzweigenden Strömungswege 46 in gleichmäßigen Abständen in Bezug auf die Umfangsrichtung des Gehäuses 12 angeordnet. Somit kann das Fluid gleichmäßig in Bezug auf die Umfangsrichtung der Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements 20 geliefert werden. Auf diese Weise kann das Fluid dadurch, dass eine Vielzahl von abzweigenden Strömungswegen 46, 48 in der axialen Richtung angeordnet sind und eine Vielzahl davon auch in der Umfangsrichtung angeordnet sind, im Wesentlichen gleichmäßig über der gesamten Außenumfangsfläche des Ventilelements 20 ausgetrieben werden.
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Das Führungsteil 14 ist ein Raum, in dessen Innerem das Ventilelement 20 angeordnet ist und dessen eines Ende mit dem Fluidausgang verbunden ist, wie oben beschrieben. Daher wird bewirkt, dass das Fluid strömt wie nachstehend beschrieben. Das heißt, das Fluid strömt nacheinander durch den Fluideingang 40 – (durch den Strömungsweg, der in der radialen Richtung verläuft) – zur Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 – in die abzweigenden Strömungswege 46, 48 – durch die Öffnungen der Innenwandfläche 16 des Führungsteils 12 – in einen Raum 50 (bzw. einen lichten Abstand bzw. Zwischenraum bzw. Freiraum) zwischen der Innenwandfläche 16 und der Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements – zum Fluidausgang 52.
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Der Fluidausgang 52 ist an einem Abschnitt, der der Spitze des Ventilelements 20 entspricht, mit einem Dichtungsabschnitt 18 versehen. Der Dichtungsabschnitt 18 ist ein ringförmiges Element und weist einen Innendurchmesser auf, der dem Innendurchmesser des Abschnitts des Fluidausgangs 52 des Gehäuses 12, bei dem es sich nicht um den Dichtungsabschnitt 18 handelt, im Wesentlichen gleich ist. Der Dichtungsabschnitt 18 ist im Gehäuse 12 befestigt vorgesehen, so dass sein Innendurchmesser dem Innendurchmesser des Abschnitts des Fluidausgangs 52 des Gehäuses 12, bei dem es sich nicht um den Dichtungsabschnitt 18 handelt, entspricht. Die Befestigungsmethode kann beispielsweise Verschmelzung, Verklebung usw. sein. Die Innenumfangsfläche des Dichtungselements 18 ist ein Teil des Ausgangs 52. Der Dichtungsabschnitt 18 ist aus einem anderen Material gebildet als das Gehäuse 12, und vorzugsweise wird ein Material mit einer höheren Elastizität als Metall verwendet. Beispielsweise kann Kunststoff mit einer hohen Wärmebeständigkeit und einer hohen Abriebsbeständigkeit als Material verwendet werden. Das Kunststoffmaterial selbst weist ein vollständig aromatisches Polyimidharz oder dergleichen auf und wenn es sich beim dem Fluid beispielsweise um Hochdruckgas oder dergleichen handelt, kann Vespel (eingetragene Marke von Dupont) verwendet werden.
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Natürlich ist denkbar, dass ein anderes Material als das vollständig aromatische Polyimidharz als Werkstoff für den Dichtungsabschnitt 18 bevorzugt ist, je nach dem Verwendungszweck des Fluidsteuerventils 10. Wenn beispielsweise das Fluid eine Flüssigkeit ist und ein geringes Maß an Undichtigkeit zulässig ist, kann ein weniger teures Material als Werkstoff verwendet werden. Wenn es sich bei dem Fluid um Niederdruckgas handelt und darauf geachtet werden sollte, dass auch eine geringe Undichtigkeit vermieden wird, wird als Werkstoff vorzugsweise Gummi mit einer höheren Elastizität verwendet.
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Das Ventilelement 20 ist ein Element mit einem zylindrischen mittleren Abschnitt mit einem kreisförmigen Querschnitt, einer konischen Spitze 22, deren Durchmesser vom mittleren Abschnitt zur Spitzenseite hin allmählich abnimmt, und einem hinteren Endabschnitt 24, der die Form eines Rumpfs aufweist, dessen Durchmesser kleiner ist als der des mittleren Abschnitts. Das Ventilelement 20 hat die Funktion, den Strom des Fluids dadurch zu steuern, dass die Spitze 22 mit dem Fluidausgang 52 des Gehäuses 12 in Kontakt gebracht oder von diesem getrennt wird, wodurch der Fluidstrom unterbrochen oder zugelassen wild, während es vom Führungsteil 14 des Gehäuses 12 gelenkt und vom Stellglied 30 bewegt wird. Das Ventilelement 20 kann eines sein, das durch Gießen von metallischem Werkstoff in eine vorgegebene Form erhalten wird. Als metallischer Werkstoff kann beispielsweise Edelstahl oder dergleichen verwendet werden.
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Die Spitze 22 des Ventilelements 20 ist ein Abschnitt, der dem Fluidausgang 52 des Gehäuses 12 entspricht, wie oben beschrieben, und somit sind die Spitze und der Kontaktabschnitt am Fluidausgang 52 so geformt, dass sie eine ähnliche Querschnittsform aufweisen, damit ein guter Kontakt erreicht wird. Genauer ist die Form des Kontaktabschnitts des Dichtungsabschnitts 18 so eingestellt, dass sie an die Form der Spitze des Gehäuses 12 angepasst ist.
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Das Stellglied 30 ist im Gehäuse 12 entsprechend dem hinteren Endabschnitt 24 des Ventilelements 20 angeordnet. Das Stellglied 30 treibt das Ventilelement 20 an, um dieses in der axialen Richtung zu bewegen, und hat die Funktion, den Ausgangsdruck des Fluids dadurch zu steuern, dass es den Abstand zwischen dem Dichtungselement 18, welches den Ausgang 52 des Gehäuses 12 darstellt, und der Spitze des Ventilelements 20 ändert. Das Stellglied 30 kann so gestaltet sein, dass ein hinterer Endabschnitt 24 des Ventilelements 20 der bewegliche Elementabschnitt ist und eine Antriebsspule 32 so angeordnet ist, dass sie dessen Umfang als stationärer Elementabschnitt umgibt. Daher muss der bewegliche Elementabschnitt am hinteren Endabschnitt des Ventilelements 20 eine magnetische Substanz sein, wie beispielsweise Eisen. Wenn nicht das gesamte Ventilelement 20 eine magnetische Substanz ist, muss zumindest der bewegliche Elementabschnitt aus der magnetischen Substanz gebildet sein.
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Um die Ausgangsposition des Bewegungsantriebs und dergleichen zu bestimmen, ist eine Vorspannfeder 34 zwischen dem Ventilelement 20 und dem Gehäuse 12 vorgesehen. In dem in 1 dargestellten Beispiel wird vorzugsweise eine Kompressionsspule als Vorspannfeder 34 verwendet, um das Ventilelement 20 in einem Ausgangszustand, in dem keine Bewegungsantriebskraft angelegt wird, gegen den Dichtungsabschnitt 18 zu drücken.
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Die Antriebsspule 32 ist mit einer nicht dargestellten Antriebsschaltung verbunden. Die Antriebsschaltung ist mit einer Steuereinheit verbunden und die Zufuhr oder die Unterbrechung eines Antriebsstroms wird unter der Steuerung einer Steuereinheit durchgeführt. Wenn der Antriebsstrom zugeführt wird, empfängt der bewegliche Elementabschnitt, der als hinterer Abschnitt 24 dient, die Bewegungsantriebskraft in der axialen Richtung, wodurch die Spitze 22 des Ventilelements 20 und der Dichtungsabschnitt 18 voneinander getrennt und entfernt werden. Wenn der Antriebsstrom unterbrochen ist, kommt die Spitze 22 des Ventilelements 20 durch eine Rückstellkraft der Vorspannfeder 34 mit dem Dichtungsabschnitt 18 in Kontakt.
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Nun wird die Funktionsweise des Fluidsteuerventils 10 mit der oben beschriebenen Gestaltung beschrieben. In einem Brenngas-Zufuhrsystem des Brennstoffzellensystems ist das Fluidsteuerventil 10 am Fluideingang 40 des Gehäuses 12 mit einer Leitung auf der Brenngas-Zufuhrseite verbunden und am Ausgang 52 mit einer Leitung auf der Seite des Brennstoffzellenstapels. Wie oben beschrieben, verläuft der Strömungsweg, durch den das Fluid durch den Fluidströmungsweg 42 strömen kann, nacheinander durch den Fluideingang 40 – (durch den Strömungsweg, der in der radialen Richtung verläuft) – in die Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 – durch die abzweigenden Strömungswege 46, 48 – durch die Öffnungen an der Innenwandfläche des Führungsteils 12 – in den Raum 50 zwischen der Innenwandfläche 16 und der Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements 20 – zum Fluidausgang 52, und daher füllt das Brenngas, das als Fluid dient, die jeweiligen Strömungswege.
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In einem Zustand, wo kein Befehl von der nicht dargestellten Steuereinheit ausgegeben wird, wird kein Antriebsstrom zur Antriebsspule 32 des Stellglieds 30 geliefert, und somit wird das Ventilelement 20 von der Druckkraft der Vorspannfeder 34 gegen den Dichtungsabschnitt 18 gedrückt, so dass der Fluidstrom unterbrochen ist und kein Brenngas vom Fluidausgang 52 zur Brennstoffzellen-Stapelseite geliefert wird.
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Wenn das Brenngas zum Brennstoffzellenstapel geliefert wird, gibt die Steuereinheit einen Befehl aus, dem Stellglied 30 in einem Tastzyklus, der der erforderlichen Ausgangsleistung der Antriebsschaltung entspricht, Antriebsstrom zuzuführen. Der Tastzyklus ist EIN-Zeit/(EIN-Zeit + AUS-Zeit) und ist hier ein Anteil der Dauer der Antriebsstromzufuhr pro Zyklus der Antriebsschaltung. Wenn beispielsweise der Tastzyklus 40% ist und angenommen wird, dass ein Zyklus der Antriebssteuerung 10 ms ist, dann fließt der Antriebsstrom wiederholt für 4 ms, wird für 6 ms unterbrochen, fließt dann für 4 ms, wird für 6 ms unterbrochen, und so weiter. Somit wird das Ventilelement 20 so rückwärts bewegt, dass es sich für 4 ms vom Dichtungsabschnitt 18 weg bewegt, während welcher Zeit der Antriebsstrom fließt und das Brenngas aus dem Fluidausgang 52 strömen kann. Hierbei bezeichnet der Ausdruck „rückwärts” die Richtung einer Bewegung weg vom Dichtungsabschnitt 18.
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Wenn das Brenngas aus dem Fluidausgang 52 strömt, strömt das Fluid in den oben beschriebenen Fluidströmungsweg 42. Beispielsweise strömt das Fluid von der Fluid-Zwischenspeicherkammer 44 in die Vielzahl von abzweigenden Strömungswegen 46, 48, die in Bezug auf die axiale Richtung abzweigen. Wie oben beschrieben, wird das Fluid durch die Öffnungen, die der Außenumfangsfläche des mittleren Abschnitts des Ventilelements 20 gegenüber liegen, aus den abzweigenden Strömungswegen 46 ausgetrieben, und die abzweigenden Strömungswege 48 treiben das Fluid aus Öffnungen aus, die dem beweglichen Elementabschnitt des schmalen Rumpfabschnitts gegenüber liegen; das heißt, dem hinteren Endabschnitt 24 des Ventilelements 20. Hierbei treiben die abzweigenden Strömungswege 48 das Fluid eigentlich durch die Antriebsspule 32 zum beweglichen Elementabschnitt des Ventilelements 20. Da die abzweigenden Strömungswege 46, 48 in Bezug auf die Umfangsrichtung des Gehäuses 12 gleichmäßig angeordnet sind, wird das Fluid außerdem gleichmäßig in Bezug auf die Umfangsrichtung des Ventilelements 20 ausgetrieben.
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Das ausgetriebene Fluid strömt in einen schmalen Freiraum bzw. Raum zwischen der Innenwandfläche 16 des Führungsteils 14 des Gehäuses 12 und der Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements 20. Das Fluid, das zwischen den einander gegenüber liegenden Oberflächen liegt, übt Druck aus, wodurch der Raum zwischen den einander gegenüber liegenden Oberflächen verbreitert wird, und somit wird der Abstand zwischen den einander gegenüber liegenden Oberflächen durch den Ausgleich der Druckkraft zwischen den einander gegenüber liegenden Oberflächen bestimmt. Anders ausgedrückt, der Abstand zwischen den einander gegenüber liegenden Oberflächen wird vom Fluid sichergestellt, und eine Oberfläche wird in einer Nicht-Kontaktstellung in Bezug auf die andere Oberfläche angehoben. Dieses Phänomen wird als Fluidträgermechanismus, als Fluidlagermechanismus, als Fluidstützwirkung oder als Fluidlagerwirkung bezeichnet.
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Wie oben beschrieben, wird die Größe des Abstands, der durch die Fluidlagerwirkung gebildet wird, vom Druck des zugeführten Fluids und der Druckkraft zwischen den einander gegenüber liegenden Oberflächen bestimmt. In dem in 1 dargestellten Fall sind die Innenwandfläche 16 des Führungsteils 14 des Gehäuses 12 und die Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements 20 beide achsensymmetrisch, und daher ist die Druckkraft beispielsweise in Bezug auf den Abstand auf der linken Seite in 1 der Druckkraft in Bezug auf den Abstand auf der rechten Seite gleich. Daher ist der Abstand zwischen der Innenwandfläche 16 des Führungsteils 14 des Gehäuses 12 und der Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements 20 an allen Stellen gleich. Anders ausgedrückt, wenn der Strom des Fluids gleichmäßig ist, wird die Achse des Ventilelements 20 automatisch zentriert, so dass sie der Achse des Führungsteils 14 des Gehäuses 12 entspricht.
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Auf diese Weise wird das Ventilelement 20, wenn der Antriebsspule 32 Antriebsstrom zugeführt wird, so vom Fluid gelagert, dass es nicht mit dem Führungsteil 14 in Kontakt kommt. Wenn die Zufuhr des Antriebsstroms in Bezug auf die Antriebsspule unterbrochen wird, wird das Ventilelement 20 dann vorwärts in Kontakt mit dem Dichtungsabschnitt 18 bewegt und wird durch die Rückstellkraft der Vorspannfeder 34 fest gegen den Dichtungsabschnitt 18 gedrückt, wodurch das Fluid aufgehalten wird. Da das unter hohem Druck stehende Fluid dabei zwischen dem Führungsteil 14 und dem Ventilelement 20 bleibt, werden die Innenwandfläche 16 des Führungsteils 14 und die Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements in kontaktfrei gehalten. Wenn anschließend wieder Antriebsstrom zur Antriebsspule 32 geliefert wird, bewegt sich das Ventilelement 20 rückwärts vom Dichtungsabschnitt 18 weg. Da das Ventilelement 20 dabei vom strömenden Fluid in einem Zustand gehalten wird, wo es keinen Kontakt mit dem Führungsteil 14 hat, wie oben beschrieben, bewegt sich das Ventilelement 20 kontaktfrei von der Innenwandfläche 16 des Führungsteils 14 weg.
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Daher ist bei Öffnungs- und Schließungsbetätigungen des Fluidsteuerventils 10 die Außenumfangsfläche 26 des Ventilelements 20 ständig frei von Kontakt mit der Innenwandfläche 16 des Gehäuses 12. Ein wiederholtes Inkontaktbringen und Außerkontaktbringen findet nur am Kontaktabschnitt zwischen der Spitze 22 des Ventilelements 20 und dem Dichtungsabschnitt 18 statt. Daher kommt es während des Betriebs des Fluidsteuerventils 10 selten zu einer Gleitbewegung zwischen dem Ventilelement 20 und dem Gehäuse 12, und somit ist der Abrieb deutlich verringert. Somit wird eine Verschmutzung des Brenngas-Strömungswegs stromabwärts vom Fluidauslass 52, des Brennstoffzellenstapels und dergleichen mit Abriebstaub verhindert.
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Auf diese Weise kann das Fluidsteuerventil durch den Tastzyklus des Antriebsstroms der Antriebsspule 32 das Fluid wiederholt und intermittierend aufhalten und strömen lassen, und dabei einen Abrieb beschränken. Durch geeignetes Wiederholen des intermittierenden Öffnens und Schließens kann ein Sekundärdruck, bei dem es sich um den Druck auf der Seite handelt, die mit dem Fluidausgang 52 zu verbinden ist, in Bezug auf einen Primärdruck als dem Druck des Fluids, das vom Fluideingang 40 geliefert werden soll, auf einen gewünschten Wert gesenkt werden. Dadurch, dass der Tastzyklus für das intermittierende Öffnen und Schließen des Fluidsteuerventils 10 geeignet eingestellt wird, kann der Sekundärdruck auf ein Niveau zwischen etwa einem Zehntel und dem Doppelten des Primärdrucks gesenkt werden. Dadurch, dass das intermittierende Öffnen und Schließen des Fluidsteuerventils 10 für die Steuerung des Drucks durchgeführt wird, wird hierbei auch eine Steuerung der Strömungsrate erreicht.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Die vorliegende Erfindung eignet sich beispielsweise für ein Fluidsteuerventil, das bei der Drucksteuerung oder der Strömungsratensteuerung eines Brenngases eines Brennstoffzellensystems verwendet wird.
